突破性成像技术揭示了有希望的新药靶点

芝加哥大学的研究人员成功捕获了粘附G蛋白偶联…

　　

研究人员在芝加哥大学已经成功地捕获了粘附G蛋白偶联受体的详细图像，以及激活它们的替代方法。这一突破为创新药物设计机会铺平了道路。

美国食品和药物管理局（FDA）批准的近35%的药物靶向G蛋白偶联受体（GPCRs），这是一组嵌入细胞膜的蛋白质，使细胞能够进行交流。其中，粘附G蛋白偶联受体（aGPCRs）在人类中形成了第二大家族。顾名思义，aGPCRs促进细胞粘附，或细胞粘在一起的能力，同时在体内传递信号。

aGPCRs在组织生长、免疫系统功能和器官发育等过程中发挥着重要作用。然而，它们功能的破坏会导致严重的疾病，如癌症、神经系统疾病和生长异常。尽管它们意义重大，但目前还没有药物被批准用于靶向aGPCRs。这在很大程度上是因为这些受体非常大，复杂，研究起来很有挑战性。

芝加哥大学的一项新研究结合了两种强大的成像技术来研究普通aGPCRs的完整结构，包括其长而复杂的细胞外区域如何与嵌入细胞表面的跨膜区域相互作用。细胞外区域的不同位置和运动似乎是激活受体的重要途径。

芝加哥大学生物化学和分子生物学副教授、这项新研究的资深作者Demet Araç博士说：“这为粘附性GPCRs的药物治疗开辟了新的机会，因为现在我们表明，细胞外区域正在与跨膜区域进行通信。”研究结果发表在本月的《Nature Communications》杂志上。

捕获新映像和新配置

aGPCR的细胞外区域从细胞膜延伸到细胞外的空间，在那里它可以与来自其他细胞的分子和受体结合。它由几个结构域组成，包括GPCR自蛋白水解诱导（GAIN）结构域，它可以将自己切割成两块。

对如何激活aGPCR的普遍理解是，来自细胞外的配体附着在细胞外区域之一上，并施加一个力，使GAIN区域与其另一部分分离，另一部分是一种称为栓系激动剂（TA）的肽，它仍然附着在跨膜区域。当TA分离时，它可以移动并与跨膜区域相互作用以启动信号传导，但越来越多的生物化学研究表明，许多aGPCR功能并不依赖于这种裂解依赖机制。分离GAIN结构域也是不可逆的，使受体处于恒定的“开”状态，这可能对细胞有害。有时一个细胞可能需要开关一个受体，所以一定有其他的方法。

Araç的实验室已经花了11年的时间来揭示全长aGPCRs的结构，希望了解输入信号是如何从细胞外部传递到细胞内部的。众所周知，这些受体很难完全理解，因为细胞外区域有许多复杂而独特的结构。研究生Szymon Kordon博士领导了这项新研究，他继承了之前一位学生的工作，捕捉到了亲Latrophilin3的完整结构图像。亲Latrophilin3是一种aGPCR，与大脑突触的发育有关，而大脑突触也与注意力缺陷多动障碍和几种癌症有关。

Kordon和Araç优化了Latrophilin3的生成和纯化，并捕获了最初的电子显微镜图像，但他们面临着许多挑战，以获得受体的良好图像。然后，他们与芝加哥大学生物化学和分子生物学的Otho S.A. Sprague杰出服务教授Antony Kossiakoff博士合作，创造了一种可以附着在aGPCR上的合成抗体。这种抗体稳定了细胞外区域，并赋予其独特的形状，使Kordon能够使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）捕捉到完整的受体结构，冷冻电子显微镜是一种冷冻细胞和分子以获取快照的成像技术。由此产生的图像成为已知的第一个完整的aGPCR结构。

冷冻电镜图像显示，受体的增益域相对于细胞表面具有几个不同的位置。增益域的每一个不同位置都在它和跨膜区域之间产生了不同的接触点。研究人员想知道，这些不同的结构是否可能是与细胞通信的不同方式，而不会完全分离增益域。因此，他们与西北大学分子生物科学副教授Reza Vafabakhsh博士和西北大学博士后研究员Kristina Cechova博士合作，进行了第二个系列的实验，追踪细胞外区域的运动。

Cechova和团队使用Förster共振能量转移（FRET）成像，可以测量彼此靠近的分子之间的能量转移。将荧光标记物附着在aGPCR的细胞外和跨膜区域的不同点上后，他们可以跟踪其运动，因为它对拉力和推力作出反应。他们所看到的证实了他们对不同结构功能的怀疑。

“不同的构象状态与受体的不同信号活动相关，”Kordon说。“这显示了这些构象在细胞下游信号传导中的功能相关性。”Kordon于2024年毕业，后来因为他在这个项目上的工作获得了芝加哥大学生物化学和分子生物系的最佳论文奖。

一种激活受体的新方法

Araç说，现在他们对aGPCRs的结构和工作原理有了更好的了解，他们可以看到用药物靶向它们的潜力，就像其他受体一样。研究人员可以设计出像本研究中使用的抗体一样的抗体，以稳定它们的成像，但可以设计成操纵它们的活性。由于aGPCRs具有不同的形状和结构，这些抗体也可以非常精确。人类已经鉴定出33种不同的aGPCRs，因此有很多机会。

Araç说：“这可能是药物粘附GPCR的未来。这样做的好处是，细胞外区域彼此之间非常不同，所以你可以用一种不与其他受体结合、不会引起不必要副作用的药物来靶向它们。”

参考文献：“Conformational coupling between extracellular and transmembrane domains modulates holo-adhesion GPCR function”